BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Technická univerzita v Liberci

Fakulta strojní

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

2011 Igor Fedchenko

Technická univerzita v Liberci

Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů

Obor: B2341 Strojírenství

Zaměření: 2301R022 stroje a zařízení dopravní stroje a zařízení

Sestava analyzátorů Emerson pro plynné emise výfukových plynů

Assembly Emerson analyzers for gaseous exhaust emissions

KVM – 241 Igor Fedchenko

Vedoucí bakalářské práce: Ing. Josef Blažek, Ph.D., TU v Liberci, KVM Konzultant bakalářské práce: Ing. Pavel Brabec, Ph.D., TU v Liberci, KVM

Počet stran:...47

Počet příloh:...3

Počet tabulek:...7

Počet obrázků:...14

27.05.2011 Označení BP: 241 řešitel: Igor Fedchenko

Sestava analyzátorů Emerson pro plynné emise výfukových plynů

ANOTACE:

Tato bakalářská práce je věnovana sestavení analyzátorů Emerson pro plynné emise výfukových plynů. Cílem práce bylo vytvoření funkčni sestavy analyzátorů NOx, CO, CO2, O2 určených pro výzkum na KVM. Během práce bylo sestaveno mobilní funkční měřicí stanoviště pro měření plynných škodlivin s automatizovaným sběrem dat, zpracovano výkresovou a technickou dokumentaci celého zařízení s praktický návodem k používání. Taky bylo provedeno základní kalibraci celého zařízení a vytvořeno kalibrační protokoly.

Klíčová slova: MĚŘENÍ EMISÍ, ANALYZÁTOR SPALIN, CO2, CO, O2, NOx.

.

Assembly Emerson analyzers for gaseous exhaust emissions

ANNOTATION:

This bachelor thesis is dedicated to compiling Emerson analyzer for gaseous exhaust emissions. The aim was to create a working group analyzers NOx, CO, CO2, O2, for research on the KVM. During the work was assembled mobile functional measuring station for the measurement of gaseous pollutants with automated data collection, processing drawings and technical documentation of equipment with practical instructions. Also was done basic calibration of the appliance and a calibration protocols.

Klíčová slova: MEASUREMENT OF EMISSIONS, FLUE GAS ANALYZER, CO, CO2, O2, NOx.

.

Zpracovatel: TU v Liberci, KVM Dokončeno: 2011

Archivní označ. zprávy:

Počet stran: 47 Počet příloh: 3 Počet tabulek: 7 Počet obrázků: 14

Prohlášení k využívání výsledků bakalářské práce.

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č.

121/2000 o právu autorském, zejména §60 (školní dílo) a §35 (o nevýdělečném díla k vnitřní potřebě školy).

Beru na vědomí, že Technická Univerzita v Liberci (TUL) má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé práce a prohlašuji, že souhlasím s případným užitím mé práce (prodej, zapůjčení apod.).

Jsem si vědom toho, že užít své bakalářské práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).

Jméno a příjmení: Igor Fedchenko

Adresa: ul. 50 let Oktyabrya 6/38, Jampol, Sumskaja obl, Ukrajina, 41200

Místopřísežné prohlášení

Místopřísežně prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury pod vedením vedoucího a konzultanta.

V Liberci 27.05.2011 Igor Fedchenko

PODĚKOVÁNÍ

Chtěl bych poděkovat svému vedoucímu bakalařské práce Ing. Josefovi Blažkovi, Ph.D.

za odborné vedení bakalářské práce, cenné rady a připomínky, poskytnuté konzultace které mi pomohly vypracovat tuto práci.

Bakalářská práce vznikla za podpory studentské grantové soutěži č. 2826/115.

9 OBSAH

Seznam symbolů a zkratek………...

Úvod………...

1. Teoretická část………...

1.1. Složení výfukových plynů spalovacího motoru………

1.2.Mechanizmy vytvaření výfukových škodlivin

v pístových spalovacích motorech...

1.3. Výfukové škodliviny pístových spalovacích motorů...……...

1.4. Laboratorní metody a přistroje pro zjištovaní koncentrace plynných složek...

1.4.1. Měření založené na principu absorpce infračerveného zaření...

1.4.2. Měření s využitím chemické luminescence…….…………...

1.4.3. Měření kyslíku...

1.4.4. Kalibrování analyzatorů...

1.5. Zákony a předpisy...……….

2. Praktická část...

2.1. Jednotlivé části a přístroje sestavy...

2.2. Analyzátory výfukových plynů...

2.3. Kondicionování plynu (doprava vzorku)...

2.4. Způsob měření testovacích a kalibračních plynů...

2.5. Zapojení komponentů pro automatizovaný sběr dat...

2.6. Elektrické zapojení sestavy………

2.7. Návod k ovladaní obsluhou měřiciho stanoviště………...

2.7.1. Spuštění, inicializace a kontrola parametrů analyzátorů...

2.7.2. Kalibrace...

2.7.3. Postup měření...

2.7.4. Vypnutí analyzátoru...

3. Experimentální část...

11 12 13 13

14 15

20

20 20 20 22 22 25 27 28 30 30 33 34 36 38 40 40 41 41

10 3.1. Obecné požadavky……….

3.2. Postup kalibrace...

3.3. Postup ověření linearity...

4. Závěr...

Seznam literatury………...

Seznam příloh………...

42 42 42 44 46 47

11

Seznam symbolů a zkratek

KVM katedra vozidel a motorů PSM pístový spalovácí motor VM vznětový motor

EHK Evropská hospodářská komise PM pevné častice

WCLD modul analyzátoru který pracuje s využitím chemické luminiscence (Wet Chemiluminescense Analyzer Module)

WNX modul analyzátoru pro měrění NOx (Wet NOx) FCM modul s průtokoměry (Flow Control Module) AC střidavý proud (alternating current)

DC stejnosměrný proud (direct current) ADP analogově-digitální převodník

12 ÚVOD

Měření emisí a nasledna analýza spalin jsou důležitýmy součásti experimentální etapy výzkumu a provozního sledování vlastností spalovacích motorů. Samotná emise škodlivin je důležitým parametrem motoru, protože jeji obsah a složení jsou významnym ukazatelem kvality spalovacího procesu a identifikátorem pro něj nastavených podmínek. Existují taky legislativní důvody k udržování ekologických parametrů na přiměřené úrovni. Vozidlo musí splnít požadavek na hladinu emisí škodlivin což je podmínkou k povolení jeho provozu.

Tato bakalářská práce pojednává o montování sestavy analyzátorů ktera bude použita pro stanovení obsahu CO2, CO, O2 a NOx ve výfukových plynech pístových spalovacích motorů. Vzhledem ke svému obsahu se řadí mezi práce praktického charakteru jelikož navrhněna a složena mobilní sestava bude použita pro analyzu výše vzpomenutých sloučenin v laboratoři KVM.

V bakalářske práci jsou popsany složení a mechanizmy vytváření výfukových škodlivin v PSM, jsou uvedeny laboratorní metody a jejích fyzikální principy které založené v základě fungování jednotlivých analyzátoru spalin. Taky v práci projednáno předpisy a zákony ktére limitují měrné emisi ze strany ekologické legislativy pro oblast spalovácích motorů.

Samostatná část je věnována popisu všech komponentů a přístrojů tvořících sestavu analyzátorů pro plynné emise výfukových plynů, jejich plynové a elektrické zapojení a návod k používání obsluhou celého zařízení.

Po komplektním montáže měřicího stanoviště byla provedena kalibrace celého zařízení z nasledným vytvořením linearizačních protokolů.

13

1. Teoretická část

1.1. Složení výfukových plynů spalovacího motoru

Při spalování uhlovodíkového paliva se vzduchem vzniká dokonalou oxidací uhlíku a vodíku obsaženého v palivu oxid uhličitý (CO2) a voda (H2O). Během nedokonalé oxidaci těchto latek (při celkovém nebo lokálním nedostatku kyslíku, nedostatku času pro oxidaci) jsou ve spalinách přítomny oxid uhelnatý (CO) a vodík (H2). Když vzduch vystupuje jako okysličovadlo je za obsahem vždy nejvýznamnější složkou spalin dusík (N2). Kyslík (O2) se objevuje ve výfukových plynech, když se celé jeho množství nepoužije k oxidaci paliva protože byl v přebytku v čerstvé směsi. Za vysokých teplot ve spalovacím prostoru vznikají oxidací vzdušného dusíku oxidy dusíku (NO_x) sestávající zejména z oxidu dusnatého (NO) a malého množství oxidu dusičitého (NO₂). Při velmi nepříznivých podmínkách pro oxidaci paliva (kyslík v nedostatku, nízká teplota v blízkosti stěn, převyšení mezí zápalnosti) obsahují výfukové plyny nespálené uhlovodíky (HC) různého složení (co do obsahu individuálních uhlovodíků).

U motorů s vnější tvorbou směsi se tato složka objevuje jako součást spalin i z důvodu úniku části čerstvé směsi přímo do výfukového traktu zkratovým vyplachováním. Za úplného nepřístupu vzduchu (uvnitř kapičky kapalného paliva) nastává při vysoké teplotě dekompozice molekul uhlovodíků, jejímž výsledkem je přítomnost pevného uhlíku (sazí) ve spalinách, hlavně u vznětových motorů. S výfukovými plyny odchází z motoru velmi malé množství dalších pevných částic (vysokomolekulové produkty tepelného poklesu mazacího oleje, prach, popel, částečky rzi atd.).

Síra obsažená v některých uhlovodíkových palivech vytváří při spalování v motoru oxidy síry, které se následně objevují ve spalinách. Sloučeniny Pb jsou přítomny ve výfukových plynech motoru spalujícího benzín s antidetonační přísadou obsahující olovo.

Z uvedených prvků se mezi sledované škodliviny počítají CO, NOx, HC (u zážehových i vznětových motorů), saze (pouze u vznětových motorů) a pevné částice (u vznětových motorů). Produkce oxidů síry a sloučenin olova je sledována nepřímo limitováním obsahu síry, respektive olova v palivu. [1]

Procentove složení výfukových plynů uvedeno v příloze. č. 1.

14

1.2. Mechanizmy vytváření výfukových škodlivin v pístových spalovacích motorech

Škodliviny ve výfukových plynech pístových spalovacích motorů vznikají jako důsledek:

-Nedokonalého či neúplného spalování a rozpadu vazebních řetězců molekul uhlovodíkových paliv (složky CO, HC a částečně zoxidované nebo jinak přetvořené molekuly HC).

-Nekvalitní, především nehomogenní směsi paliva se vzduchem, kdy účinkem tepelného rozkladu uhlovodíkového paliva (krakováním) dojde k přednostní oxidaci vodíku (vodík má větší afinitu ke kyslíku než uhlík) a při lokálním nedostatku vzduchu (kyslíku) ve směsi uhlík modifikuje do formy sazí (tuhých částic) Tento efekt je typický především pro vznětové motory, v určitých případech (detonační spalování, bohatá směs) však nastává i u zážehových motorů.

-Oxidace atmosferického dusíku při vysokých teplotách spalovacího procesu ve válci motoru (NOx).

-Nekvalitního či nevhodného paliva, obsahujícího nežádoucí zbytky z původní suroviny, které při spalování zoxidují (SO2, tuhé částice), resp. přísady k dosažení některých potřebných vlastností paliva (sloučeniny Pb a pod.).

-Špatného mechanického stavu motoru nebo dokonce nezvládnutého konstrukčního řešení, způsobujícího zvýšenou spotřebu mazacího oleje v motoru (aerosoly-tuhé částice), či nezvládnuté seřízení motoru (ovlivnění všech složek výfukových škodlivin).

Obsah škodlivin ve výfukových plynech pístových spalovacích motorů závisí především na průběhu spalovacího procesu, dále na konstrukčním a vývojovém zvládnutí celé řady významných úloh, podmiňujících dlouhodobě stabilní a správnou funkci motoru (lze kupř. zdůraznit řešení pístové skupiny) a na kvalitě použitého paliva. [2]

15

1.3. Výfukové škodliviny pístových spalovacích motorů

Produkce výfukových škodlivin ve válci motoru závisí především na bohatosti spalované směsi. Základní pohled na tuto závislost ukazuje obr. č.1, ve kterém jsou vyznačeny dvě možné koncepce nízkoemisního řešení motoru (a – spalování stechiometrické směsi a dodatečné „čištění“ výfukových plynů pomocí 3složkového katalyzátoru, b – spalování velmi chudých směsí s event. 2složkovým, tj.oxidačním katalyzátorem).

Obr. č.1. Závislost koncentrace vybraných složek výfukových plynů na bohatosti spalované směsi [2].

Současná legislativa omezuje ve výfukových plynech pístových spalovacích motorů emise pevných částic (PM) a plynných škodlivin ve složkách oxidů dusíku (NOx), nespálených uhlovodíků (HC) a oxidu uhelnatého (CO). Za nejnebezpečnější škodlivinu ve výfukových plynech se považují pevné částice; jsou přítomny zejména u vznětových motorů. Z předcházejícího výkladu a s využitím dalších poznatků z výzkumu pístových spalovacích motorů je možné shrnout dosavadní základní skutečnosti o dnes sledovaných škodlivinách ve výfukových plynech pístových spalovacích motorů takto [2]:

Oxidy dusíku ( NOx ). Oxidy dusíku patří mezi nejvíce toxické složky výfukových plynů. Za normálních atmosférických podmínek, dusík je velmi inertní

16 plyn. Za vysokých tlaků a především teplot, dusík aktivně reagují s kyslíkem. Ve výfukových plynéch motoru více než 90% z celkového množství NOx je oxid dusnatý NO, který je ještě ve výfukovém systému a následně v atmosféře se snadno oxiduje na dusičitý (NO2). Oxidy dusíku dráždí sliznice očí, nosu, ničí lidske plíce, protože při pohybu dychacím ustrojí reagují z vlhkostí horních dychacich cest, tvoří kyseliny dusičné a kyseliny dusité. Zpravidla otravu lidského těla NOx není okamžitě, ale postupně.

Na velikost emise oxidů dusíku ma významný vliv teploty ve spalovací komoře.

Tak, když teplota stoupá 2500 - 2700 K se zvyšuje reakční rychlost o 2,6 krát, zatímco při poklesu teploty 2500 - 2300 K - sniží o 8 krát, tj. Čím vyšší teplota, tím vyšší je koncentrace NOx. Časné vstřikování paliva nebo vysoce tlaky stlačení ve spalovací komoře také přispívají k tvorbě NOx. Čím vyšší je koncentrace kyslíku, tím vyšší je koncentrace oxidů dusíku.

Oxid uhelnatý (CO). Čirý, bez zápachu, jedovatý plyn, lehčí než vzduch, mírně rozpustný ve vodě. Oxid uhelnatý - produkt nedokonalého spalování palivové směsi, ve vzduchu hoří modrým plamenem se vznikem oxidu uhličitého. Ve spalovací komoře motoru CO vzníka za nevyhovujicí poprašovaní paliva, v dusledku studene reakcí při spalování paliva s nedostatkem kyslíku a rovněž za disociace oxidu uhličitého při vysokých teplotach. Za nasledneho spalování po zažehu (po horním mrtvim bodu během expanze) je možné hoření oxidu uhelnatého v přítomnosti kyslíku se vzníkem

oxidu uhličitého. Přitom proces vyhořívání CO pokračuje ve výfukovém potrubí.

Je třeba poznamenat, že za provozu vznětových motorů (poněvadž pro VM je charakteristické spalování chudych směsi, tj. s přebytkem vzduchu), koncentrace CO ve výfukových plynech je nízká (asi 0,1 - 0,2%), tedy jako pravidlo, je koncentrace CO určena pro benzinové motory. Z veškere vyfukových plynů oxid uhelnatý CO je nejjedovatější složkou - je to silný krevní jed, jehož škodlivost se ještě zvyšuje přítomností oxidu uhličitého CO2. Vliv koncentrace CO v ovzduší na lidský organismus ukazuje obr. 2.

17 Obr. č. 2. Vliv obsahu CO v ovzduší na lidský organismus [2].

Nespálené uhlovodíky (HC). Uhlovodíky - organické sloučeniny, jejichž molekuly jsou vyrobeny pouze z uhlíku a vodíku, jsou toxické látky. Ve výfukových plynech obsahuje více než 200 různých HC, které jsou rozděleny do alifatické (otevřený nebo uzavřený řetěz) a obsahující benzenový nebo aromatický kruh. Aromatické uhlovodíky obsahují v molekule jeden nebo více cyklů z 6 atomů uhlíku spojených jednoduchými nebo dvojitymi vazby (benzen, naftalen, antracen, atd.). Mají příjemnou vůni. Přítomnost HC ve výfukových plynech motorů vysvtluje se to tím, že směs ve spalovací komoře je různorodá proto vedle stěn v velice obohačených oblastech probíhá hašení plameni a přerušení řetězove reakce (Obr. č. 3.)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

COHb [%]

6 12 18 24

3 6 9 12

2 4 6 8

Klidový stav Běžná činnost

Těžká práce

[ hodin ] [ hodin ] [ hodin ] 2000 ppm

1000 ppm 750 ppm

700 ppm

250 ppm

100 ppm Bez účinku

Příznaky otravy Bezvědomí

Smrt

0 0

18

Obr. č. 3. Schema vzníku HC v vyfukových plynech.

1- pist, 2- valec, 3- vrstva směsi blizko stěny [3].

Ne zcela spálené HC, emitovány s výfukovými plyny a směs z několika set chemických sloučenin, mají nepříjemný vůně. HC jsou příčinou mnoha chronických chorob. Toxické rovněž páry benzínu ktere jsou uhlovodíky. Přípustné průměrné koncentrace benzínových par je 1,5 mg/m3. Obsah HC ve výfukových plynech se zvyšuje s škrcení, když je motor v režimu nuceného volnoběhu (například při brzdění motorem). Při praci motoru za uvedených režimu zhoršuje se proces vytváření palivove směsi (michání směsi paliva a vzduchu) klesa rychlost spalování, zhoršuje se vznícení a jako nasledek vzníka ho časté selhání. Nedokonale spalování u studených stěn zpusobuje uvolnění HC, pokud do konce spalování jsou místa se silným lokálním nedostatkem vzduchu, nedostatečnou poprašovaní paliva, se špatnou viřivosti vzduchu a nízkých teplotách (např. režim volnoběhu ). Uhlovodíky se tvoři velice obohacených oblastech, kde omezen přístup kyslíku, stejně jako u relativně chladné stěny spalovací komory. Hrají aktivní roli při formování biologicky aktivních látek, které způsobují podráždění očí, nosu a krku a jejich onemocnění a poškození rostlin a živočichů.

Uhlovodíkových sloučenin mají narkotický účinek na centrální nervový systém, mohou způsobit chronická onemocnění, a některé aromatické HC mají toxické vlastnosti.

Tuhé částice. Ve výfukových plynech, zejména vznětových motorů, se vyskytují tuhé, škodlivé částice. Jejich vznik je spojen především se spalovacím procesem, mají však i přímou souvislost s kvalitou konstrukčního řešení motoru, jeho technickým stavem a s kvalitou použitého paliva. Ve výfukových plynech se vyskytují jak v pevné,

19 tak v kapalné fázi. Pevné částice jsou složeny zejména ze sazí, karbonu, popela, sloučenin síry a kovů (zejména síranů), nitridů, oxidů síry a vody, vázané na sloučeninách síry. Kapalné částice jsou tvořeny kapénkami uhlovodíků a pocházejí jak z paliva, tak i z motorového oleje. Při vstupu výfukových plynů do atmosféry dojde účinkem rychlého ochlazení výfukových plynů jejich zředěním atmosferickým vzduchem ke spojování těchto částic, přičemž výsledný rozměr takto emitovaných pevných částic mnohonásobně převyšuje původní rozměr částic ve spalinách Ve většině případů se rozměr škodlivých částic pohybuje v rozsahu 0,3 - 1 µm, ve výfukových plynech však může mít menší množství škodlivých částic velikost až 5 - 30 µm, na stěnách spalovacího prostoru a výfukového systému motoru mohou škodlivé částice vytvářet seskupení i větších rozměrů. Mechanizmus tvoření pevných částic ve výfukových plynech pístových spalovacích motorů je schematicky ukázán na obr. č. 4.

Obr. č. 4. Schema mechanizmu tvoření pevných částic ve výfukových plynech [2].

Významný vliv na obsah pevných částic ve výfukových plynech má druh použitého paliva: pístové spalovací motory na plynná paliva obsahují výrazně nižší množství pevných částic a plynové motory tedy představují ekologickou variantu pohonných jednotek pro vozidla i pro stacionární použití. Složení tuhých částic ve výfukových plynech závisí na provozním režimu motoru (otáčkách i zatížení). [2]

Spalovací proces

Zárodky částic

0,001 - 0,01 m Primární částice 0,01 - 0,05 m

Emitované částice 0,05 - 1 m Atmosferické

podmínky

koagulace aglomerace

e

20

1.4. Laboratorní metody a přístroje pro zjištovaní koncentrace plynných složek

Existuje hodně metod a principů měření emise výfukových plynů spalovacího motoru. Tady uvedu jen tě principy na kterých pracují analyzátory které patři k sestavě.

V závislosti na modelu analyzátoru budou použity další metody měření.

1.4.1.

Měřicí účinek dělí podle absorpce infračerveného záření při průchodu vrstvou plynů. Plynové specifické vlnové délky absorpčních pásů charakterizují druh plynu, zatímco síla absorpce umožňuje změřit koncentrace naměřených složek . Tato metoda se použiva pro měření obsahu CO, HC a CO2 .

1.4.2.

Chemická luminescence je emise specifických energetických kvant provázející některé chemické reakce. Při analyze výfukových plynů spalovacího motoru se tato metoda používá pro stanovení koncentrace oxidů dusíku. Základ měření tvoří reakce:

NO +O3 = NO2 + O2 + hv (1)

Kde hv – energetické kvantum (h...PLANCKova konstanta, v...frekvence) Ozon se vyrabí pusobením elektrostatického pole o vysokém napětí na molekuly kyslíku. Jako vstupní látka reakce (1) figuruje z oxidu dusíku pouze NO. Pro zjištění celkove emise oxidu dusíku (NOx = NO + NO2) se přepnou elektromagnetické ventily tak, aby vzorek prochazel výhřivaným katalitickým reaktorem, ve kterém dochází k redukci oxidu dusičitého na dusnatý. Přístroj tedy může pracovat v režimu měření koncentrace NO, nebo v režimu měření koncentrace NOx. Koncentraci NO2 lze zjištit jako rozdil hodnot naměřených v obou režimech při analýze stále stejneho vzorku. [1]

1.4.3.

V závislosti na modelu analyzátoru existuje dva principy měření kyslíku, a to paramagnetické a elektrochemické měření. Analyzátor MLT T PO2 který mame v sestavě pracuje po prvnímu principu takže popíšime tady pravě jeho.

21 Stanovení koncentrace O2 je založena na paramagnetickému principu (magnetomechanickému principu).

Dvě naplněné dusíkém (N2 je diamagnetický) křemene koule jsou uspořádány v

"činka" konfiguraci a zavěšeny na platinovém drátu, umístěny uvnitř buňky.

Upevněné na drátu malé zrcadlo odráží světelný paprsek do fotodetektoru.

Měřící buňka je umístěna uvnitř nehomogenní magnetického pole generované silným permanentním magnetem.

Molekuly kyslíku ve vzorku plynu se kvůli jejich paramagnetické vlastnosti jsou vychýleny do oblasti nejvyšší intenzity pole. To vytváří různé síly na obou sférách a výsledný točivý moment otočí zrcadlo a činku z klidové polohy. Toto generuje signál fotodetektoru, protože paprsek je vychýlen taky.

Iniciovaný fotodetektorém signál předzesilovačé řídí kompenzační proud přes smyčku kolem činky tak aby účinkem magnetického pole vrátit činku do klidové polohy. Je to přímé měření koncentrace O2 ve směsi plynů.

Kompletní analýzační buňka se skládají z analýzační komory, permanentní magnetu, zpracovácí elektroniky a teplotní čidla. Pro MLT T PO2 snímač sám o sobě je termostatem až do cca 55 stupnu celsia.

Obr. č. 5. Princip konstrukce paramagnetické analizáční bunky 1. Permanentní magnet

2. Platinový drát 3. Zrcadlo

4. Skleněná kulička 5. Smyčka

22 6. Fotodetektor

7. Zdroj světla 8. Předzesilovač 9. Displej 10. Vstup plynu 11. Vystup plynu [3].

1.4.4.

Souhrn všech činností, které se provádí obsluha měřícího stanoviště za učelem zajištění vypovídací schopnosti hodnot, naměřených analýzou spalin se nazyva kalibrování. Pro dosažení shody údaje přístroje s absolutní hodnotou příslušné koncentrace nutno provést kalibraci přístroje, tj. sestavení závislosti mezi skutečnou koncentrací komponenty ve vzorku a úrovní elektrické analogové veličiny přiváděné na svorky ukazovacího přístroje.

Jediným korektním postupem pro přezkušovaní kalibrace je použití kalibračních plynů.

Nulová výchylka přístroje se nastaví (obvykle nlovacím potenciometrem) při proplachování měřícího systému dusíkem, nebo alespon (úsporně) čistým suchým vzduchem (samozřejmě ne při nulování analyzátoru pro měření koncentrace O2), ve zvláštních případech se vyžaduje syntetický vzduch. Pro přezkoušení dalších bodů kalibrační křivky se na vstup přístroje (pro vzorek) přivede směs individuálního plynu (jehož koncentraci ve spalinách má příslušný přístroj zjištovat) s nosným plynem, který odezvu přístroje neovlivní (většinou N2, nebo syntetický vzduch). Koncentrace měřené komponenty v cejchovním plynu, používaném při pruběžné provozní verifikaci, má být přibližně shodná s předpokládaným obsahem v analyzovaném vzorku.

Při proplachování měřícího systému kalibračním plynem (v našem připadě CO, CO2, O2, NO) se (obvykle potenciometrem na ovládacím panelu) nastaví výchylka stupnice shodná s koncentraci sledované složky v kalibračním plynu. [1]

1.5. Zákony a předpisy

Každé nově vyráběné vozidlo, které se dostane na trh, musí splňovat příslušné homologační předpisy. Evropský standard pro automobilové motory je vytvářen Evropskou hospodářskou komisí (EHK) v rámci Dohody o přijetí jednotných podmínek

23 pro homologaci a vzájemné uznávaní homologace výbavy dílů motorových vozidel.

Tyto předpisy EHK jsou platné ve většině evropských států. V rámci Evropské unie je navíc kompetentním orgánem v oblasti předpisové báze, vztahující se k emisnímu hodnocení automobilů, Motor Vehicle Emmission Group (MVEG), která je součásti administrativy EU. [4]

V rámci EHK platí pro emise škodlivin produkovaných spalovacími motory silničních vozidel následující předpisy.

Předpis EHK 49 limituje emise škodlivých plynných složek CO, HC, NOx a částic u vznětových motorů vozidel kategorií M2, M3, N1, N2, N3 (vozidla kategorie N1 poháněná vznětovým motorem lze homologovat podle předpisu EHK 83 i EHK 49). Měřění emisních vlastností se provádí na samostatném motoru (bez vozidla).

Předpis Platný od Limity měrných emisi [g/kWh]

CO HC NOx PM

EHK 49.00 (ECE R49.00)

1983 14,0 3,5 18,0 -

EHK 49.01 1990 11,2 2,4 14,4 -

EHK49.02(EURO1) 1993 4,5 1,1 8 0,36

EHK49.03(EURO2) 1996 4 1,1 7 0,15

EHK 49.04 (E 3) 2001 2,1 0,66 5 0,1

EURO 4 2005 1,5 0,46 3,5 0,02

EURO 5 2008 1,5 0,46 2,0 0,02

Tab. č. 1. Předpisy EHK 49 [5].

Předpis EHK 83 platí pro vozidla kategorií M a N a podle tab. č. 2. limituje

24 emise složek CO, HC, NOx a od revize EHK 83.01 i emise škodlivých částic u vznětových motorů. Charakteristickým znakem metodiky zkoušek podle předpisu EHK 83 je, že u vozidel o celkové hmotnosti do 3,5 t se zkouška provádí při testu simulujícím jízdu vozidla na válcové zkušebně. Měření má kumulativní charakter, tzn. výfukové plyny se jímají do vaků a výsledné koncentrace jsou udány v g na km, dříve gramy na test.

Tab. č. 2. Kategorie vozidel [6].

Podle EHK č.83 výsledné hmotnosti plynných emisí, a v připadě vozidel vybavených vznětovými motory i hmotnosti častic získané při každé zkoušce, musí být menši než mezní hodnoty uvedené v nasledujici tabulce:

25 Tab. č. 3. Mezní hodnoty výfukoých plynů podle EHK 83 [6].

2. Praktická část

V praktické části jsem se zabýval montážní složkou práce v laboratoři KVM.

Měl jsem k dispozicí skřin kam postupně jsem dodal analyzátory na měření CO/CO2, O2, NOx , ledničku a ostatní přistroje nezbytné pro sestavu analyzátorů Emerson pro plynné emise výfukových plynů.

Na obr. č. 6 zobrazena hotova sestava analyzátorů Emerson pro plynné emise výfukových plynů.

26 Obr. č. 6. Sestava analyzátorů Emerson pro plynné emise výfukových plynů.

Poznačka Nazev současti

1 Lednička MAK10

2 Počítač

3 Pojistna skřin

4 Konverzní modul WET NOx

5 Snímač barometrického tlaku

6 Snímač tlaku vzorkovací plynu

7 Spínač čerpadla

8 Platforma NGA 2000P

9 Analyzátor CO/CO2 (MLT 1T IR IR)

10 Analyzátor kyslíku (MLT T PO2)

11 Klavesnice

12 Monitor

27

13 Přepínač CO/CO2

14 Modul s průtokoměry

Tab. č. 4. Označení jednotlívych komponentu sestavy.

2.1. Jednotlivé části a přístroje sestavy

Skřin analyzátorů: sklada se z vystužní ramu na kolach, k jednomu ze zadních žeber je upnutá panel ze zasuvky, od které se živí jednotlivě přistroje sestavy (pojistná skřin, snimač tlaku, lednička, apod.) nahoře jsou umistěny čtyři ventilatory, které take se živí od zasuvky na zadním žebre. Viz. Obr. č. 7.

Obr. č. 7. Skřin analyzátorů.

Lednička MAK 10: používá se pro chlazení vzorkovacího plynu. Lednička má 1 ... 4 výměníky tepla, v nichž se vzorek plynu ochladí na přibližně +3 ºC. Za další ukol má oddělování a vylučování kondenzatu. Kondenzát je neustále vytlačován rychlosti 3,4 ml/min pro každou cestu plynu. Tímto analyzátory jsou chráněne před vlhkosti vzorkovacího plynu.

Filtr: je umístěný na zadním panelu sestavy. Slouží pro odstranění nečistot s vzorku plynu.

28 Snímač barometriského tlaku: slouží pro vzískání informace o velikosti barometrického tlaku v okolí sestavy analyzátorů.

Snímač tlaku vzorkovaciho plynu: slouží pro vzískání informace o velikosti tlaku vzorkovací plynu na vstupu do modulu s průtokoměry.

Čerpadlo: je umístěné vedle vstupu vzorku plynu. Je zapojené na jednou stranu se vstupem vzorku plynu a na druhou z ledničkou. Funkci čerpadla je pohánět vzorkovací plyn sestavou. Zapiná čerpadlo spinačem umistěným na předním panelu sestavy nad snímačem tlaku.

Pojistná skřin: elektrické napětí do sestavy vstupuje přes pojistnou skřin ze které se napají veškere komponenty vyžadujicí k svemu provozu elektrický proud. Ze předu pojistné skřině se nachazi jističe, které v případě problemu z napětí odpojí sestavu od sítě. Taky vpředu pojistné skřini umístěne zasuvky které se používaji pro externí přístroje.

Počítač: spolu z monitorem, klavesnici a analogově-digitalním převodníkém slouži pro automatizovaný sběr dat z všech analyzátorů spalin. Věškeré přístroje spojené mezí sebou datovymí kabely.

Elektromagnetický ventil CO/CO2: je umistěný na zadním panelu sestavy a slouží pro přepínání mezi kalibrační plyny CO a CO2. Ovládání ventilu je prováděno přes přepínač umístěný na předním panelu vedle analyzátoru CO/CO2.

2.2. Analyzátory výfukových plynů

Analyzátor CO/CO2 (MLT 1T IR IR) - je speciálně navržen pro měření mimořádně nízkých emise monooxidu uhlíku. Zkratka IR znamena že prácuje na principu absorpce infračerveného záření, zkratka T – že je umístěn na stole (table top).

Analyzátor kyslíku (MLT T PO2) - tento analyzátor z paramagnetickým sensorem se používa pro stanovení koncentrace kyslíku v analyzované směsi.

Analyzátor WET NOx (WNX) - je to konverzní modul, který příjímá horký vlhký vzorkový plyn, ochladí a vysuší ho pro využití WCLD analyzátorém (s využitím chemické luminiscence), který je zabudovaný v platformě.

Platforma NGA 2000 P - je základním elementem sestavy který obsahuje veškeré nutné komponenty pro ovládání ostatních analyzátorů nebo muže být využítý

29 jako samostatný analyzátor. Obsahuje WCLD modul, který využívá chemické luminiscencé (o principu práce jakého jsem pověděl v teoretické části práce. Tady jen uvedu jak analyzátor využívá tuto metodu), techniku, která je založena na reakci mezi oxidém dusnatým (NO) a ozoném (O3) k výrobě NO2 a kyslíku (O2). Některé z molekul NO2 takto vyrobené jsou v elektronickém excitovaném stavu (NO2 *). Tyto se okamžitě vrátí do základního stavu, s emisí fotonů. Zúčastněné reakce jsou:

NO + O3 = NO2 * + O2

NO2 * = NO2 + červené světlo

Intenzita vyzařovaného červeného světla je úměrná koncentraci NO v původním vzorku plynu a měří se při pomoci fotodiody. Vzorek plynu přichodicí do CLD modulu by měl být čistý a suchý.

Analyzátory májí být instalovány co nejblíže ke průtokoměrům, aby se zabránilo nízkou dobu odezvy způsobené dlouhé cesty vzorku plynu. Pro nejlepší výsledky, umístíme modul WET NOx u vzorku potoků a CLD modul v blízkosti WET NOx modulu pro minimalizaci času přepravy vzorku. Za účelem snížení doby odezvy, je použita čerpací stanice s odpovídající vysokou čerpací rychlosti. Nakonec, měřicí stanoviště je provozováné v režimu bypass, aby se zabránilo příliš vysokým průtoků a příliš vysokým tlakům.

Technické udaje jednotlivych analizátoru najdeté v Tab. č. 5 Hodnoty MLT 1T IR IR MLT T PO2 Platforma

(WCLD modul)

WET NOx Konverzní modul

Rozsah 50..2500ppm

CO

1…20% CO2

0…25% O2 0…10 až 0…10000 ppm NOx

0…10 až

0…10000 ppm NOx

Průtok plynu 0.2 – 1.5 l/min Doporučené: 1 l/min

0.4 l/min 0.75 – 2.2 l/min

Přípustný tlak ≤150 kPa abs. 48±13.8 kPa 34…62 kPa Přípustná

teplota

+5 ºC až +40 ºC 0 ºC… 55 ºC +70ºC nebo meně

30 vzorkových

plynů

Opakovatelnost měření

≤1% vztahující se k plnému rozsahu,při konstantní tlaku a teplotě

±0.5% plného rozsahu, při konstantní teplotě

Čas odezvy 3s≤t90≤7s z analyzátoru přívod plynu v průtok plynu cca. 1,0 l / min (elektrický = 2s)

<1s pro 90% plného rozsahu pro rozsah 25 ppm, nebo vic <3s pro 90% plného rozsahu pro rozsahy meně než 25 ppm.

Tab. č. 5. Technické údaje jednotlivých analyzátorů.

2.3. Kondicionování plynu (doprava vzorku)

Kondicionování vzorku plynu je nejdůležitější pro úspěšné fungování jakékoliv sestavy analyzátorů.

Plyn musí splňovat následující podmínky:

Musí být

- bez kondenzovaných složek, - bez prachu,

- bez agresivních složek, které nejsou kompatibilní s materiálem plynu cest.

- mají teploty a tlaky, které jsou v rámci specifikace uvedené v Tab. č. 5.

"Technické údaje"

2.4. Způsob měření testovacích a kalibračních plynů

Jedním z nejdůležitějších úkolů během montáže sestavy bylo správně zapojit veškeré vstupy a výstupy jednotlivých analyzátorů pomocí hadice, propojit jejich odpovídající průtokoměry a ostatní komponenty sestavy analyzátorů.

Schéma zapojení soustavy pro měření testovacích a kalibračních plynů je ukázána na Obr. č. 8. Modrou barvou jsou zobrazeny hadice, které přivádí

31 k průtokoměrům nulovací plyn, modrou barvou – kalibrační plyny, červenou – vzorkovací plyn, fialovou - technický kyslík a žlutou odpadní plyny. Aby nedošlo k záměně, všechny hadičky jsou označené. Plyn vstupuje do analyzátorů přes plynové přípojky, které jsou umístěné na zadním panelu každého analyzátoru. Nulovací a kalibrační plyny jsou zavedeny přímo přes vstup vzorku plynu.

Vzorkovací plyn vstupuje do sestavy přes čerpadlo (7) odkud je veden do ledničky(6). V ledničce se plyn ochladí na teplotu +3 ºC a vstupuje se do filtru (8), který je uchycený na zadním panelu (9). Dále plyn proudí na vstup (input) modulu z průtokoměry (Flow Control Module, dale FCM) (10). V tomto modulu jsou umístěné přepínače mezi vzorkovacími, kalibračními a nulovacími plyny pro každý ze třech analyzátorů. Tady je však umístěn průtokoměr bypassu z důvodu zabránění příliš vysokým průtokům a příliš vysokým tlakům. Ochlazený plyn došlý na vstup FCM postupuje na jednotlivé průtokoměry, odkud jde přes výstupy na odpovídající vstupy analyzátorů označené SAMPLE IN. Z výstupu bypassu přes výstup odpadních plynů na zadním panelu (9) jde ven z sestavy. Z konverzního modulu WET NOx (4) přes vystup označený SAMPLE OUT plyn postupuje na vstup SAMPLE IN modulu WCLD, který je zabudovaný v platformě (3). Z příslušné láhve do WCLD modulu přes vstup AIR je přiváděný technický kyslík (O2 tech), který je nezbytný pro výrobu ozonu a který je zároveň s tím nutný pro zajištění měření na principu chemické luminescence. Z analyzátorů jsou plyny, přes jednotlivé vystupy SAMPLE OUT, dopravené na výstup odpadních plynu ven.

Když jsou na modulu s průtokoměry (10) přepínače nastaveny na kalibrační plyny, tak z příslušných lahví přes určité vstupy na zadním panelu (9) přichází kalibrační plyny na odpovídající vstupy FCM (10), dále přes průtokoměry postupují na vstupy analyzátorů SAMPLE IN, a z analyzátorů přes vystupy SAMPLE OUT jsou dopravené na výstup odpadních plynů, odkud jdou ven. Každému analyzátoru náleží vlastní kalibrační plyn. Jsou to plyny, které měří jednotlivé analyzátory. Pro analyzátor MLT 1T IR IR (1) – CO/CO2, pro analyzátor MLT T PO2 (2) – O2, Pro konverzní modul WET NOx (4) a WCLD analyzátor – NO. Ačkoliv analyzátor MLT 1T IR IR (1) pracuje se dvěma kalibračními plyny, je na zadním panelu (9) uchycený elektromagnetický ventil, který přepíná vstupy mezi plyny CO a CO2. Přepínač je

32 umístěn vpředu vedle analyzátoru CO/CO2.

V případě, že na modulu s průtokoměry (10) jsou přepínače nastaveny na nulovací plyny, tak z přislušné láhve přes příslušný vstup na zadním panelu (9) přichazí nulovací plyn na odpovidající vstupy FCM (10) a celý děj se opakuje. Pro veškeré analyzátory je stejný nulovací plyn – dusík (N2).

Obr. č. 8. Shéma pohybu testovacích a kalibračních plynů.

Poznačka Nazev součastí

1 Analyzátor MLT 1T IR IR

33

2 Analyzátor MLT T PO2

3 Platforma NGA 2000 P

4 Konverzní modul WET NOx(WNX)

5 Tlakoměr

6 Lednička MAK 10

7 Čerpadlo

8 Filtr

9 Zadni panel se vstupy kal. a nul. plynu a výstupy odpadních plynu 10 Modul s průtokoměry

Tab. č. 6. Označení jednotlivých komponent sestavy.

2.5. Zapojení komponentů pro automatizovaný sběr dat

Modul zabudovaný v platformě WCLD a konverzní modul WET NOx jsou spojeny síťovým kabelem pro komunikací a výměnu informací.

Obr. č. 9. Síťové zapojení WCLD s konverzním modulem WET NOx.

Zároveň s tím jsou počitač, platforma, analyzátor O2 a analyzátor CO/CO2 propojeny s analogově-digitalním převodníkem (ADP) přes datové kabely pro zajištění automatizovaného sběru dat podle schématu, uvedeného na obr. č. 10. Diky tomuto zapojení jsou při měření na analyzátoréch veškerá data zobrazena na monitoru počitače.

34 Obr. č. 10. Zapojení pro automatizovaný sběr dat.

2.6. Elektrické zapojení sestavy

Elektrické zapojení sestavy je ukazano na obr. č.11.

Napětí ze sítě vstupuje do pojistné skříně (2). Zdroj napětí (13), čerpadlo (16) se spínačem (14), platforma NGA 2000 P (17), a panel se zásuvkami (9) berou energii z pojistné skřině (2) přes 230/115 Vac kabely. Zdroj napětí (13) převádí napětí 230/115 Vac na 24 Vdc, které je potřebné pro provoz analyzátorů a přepínače CO/CO2 (8).

Monitor (10) je spojený s počítačem (3) datovým kabelem a 230/115 Vac kabelem. Ostatní elementy sestavy, jako jsou ventilátory (11), snímač tlaku (15), lednička (1) a počitač (3) se napájí přímo ze zásuvek (9) 230/115 Vac.

Na obr. č.11 jsou fialovou barvou ukázány kabely 24 Vdc, které vystupují ze zdroje napětí (9), červenou barvou kabely 230/115 Vac, světle modrou barvou jsou označeny datové kabely, které se spojují počitač s klávesnicí a počítač s monitorem, tmavě modrou barvou jsou zakresleny kabely, které se spojují spinač (14), jež zapiná/vypiná čerpadlo (16), a přepinač (6), který ovladá elektromagnetický ventil CO/CO2 (8). Tento přepínač a s ním i elektromagnetický ventil CO/CO2 jsou spojené se zdrojem napětí (13).

35 Obr. č. 11. Elektrické zapojení sestavy.

Poznačka Nazev součastí

1 Lednička MAK 10

2 Pojistná skříň

3 Počítač

4 Konverzní modul WET NOX

5 Analyzátor MLT 1T IR IR (CO/CO2)

6 Přepinač CO/CO2

7 Klávesnicé počitače

36 8 Elektromagnetický ventil CO/CO2

9 Lišta se zasuvky 10 Monitor počítače

11 Horní deska s ventilátory 12 Analyzátor MLT PO2 13 Zdroj napětí

14 Spinač čerpadla

15 Snímač tlaku

16 Čerpadlo

17 Platform NGA 2000

Tab. č. 7. Označení jednotlívych komponentu sestavy.

2.7. Návod k ovladaní obsluhou měřicího stanoviště

Na předním panelu veškére výše vyjádřených analyzátorů je zobrazen operační čelní panel (Obr. č. 12). Celý operační postup je znázorněn na LC displeji. Provoz a programování přístroje se provádí pomocí čtyř kurzorových kláves, klávesu ENTER a pěti funkčních kláves. Na zadním panelu analyzátorů jsou umístěný konektor pro napájení 24 V DC, plynové přípojky a konektor pro připojení k síti.

LCD obrazovka zobrazuje všechny naměřené hodnoty na analyzátorů, stav hodnot a všechny instrukce uživatelského menu.

Funkčním klávesam, nazývané také softwarová tlačítka, jsou přiřazené hodnoty v závislosti na nabídce, nebo jsou zobrazováné na obrazovce. Legenda je zobrazena nad nimi.

ENTER slouží k potvrzení již dříve zadané proměnné hodnoty, k spuštění vybrané funkce, nebo k přejítí do podnabídky vybraných řádku menu.

Kurzorové klávesy (šipky doprava a doleva) se používají pro pohyb nahoru nebo dolů řádky v menu nebo k inkrementace a dekrementace počtu proměnných.

Kurzorové klávesy (šipky nahoru a dolů) se používají pro pohyb dozadu nebo dopředu mezi stránkami menu.

37 Obr. č. 12. Provoz na předním panelu.

Pokud stiskneme klávesu F3 nebo “šipka doprava“ klávesu v každé jednotlivé složce displeju, přepneme k hlavnímu menu. Jak zřejmě z obr. č. 13. Z hlabního menu se můžeme přepnout k všem operační úrovní modulů analyzátorů pro nastavení a ovládání parametrů měření, kalibrace a přenosu dat.

Menu obsahují čtyři typy řádků:

Menu řádka – řádka ukončena třemi tečkami (...). Stisknutím ENTERu když tato řadka je označena přestoupime do jednotlivých submenu.

Funkční řádka – řádka ukončena vykřičníkém (!). Při pomoci teto řadky volíme jednotlivé funkce, které spouštíme klavesou ENTER když funkční řádka bude označena.

Variabilní řádka – řádka ukončena dvojtečkou (:) zobrazuje parametr proměnného modulu. Některé parametry mohou být změněny a některé parametry zobrazuji pouze status a nelze je měnit. Parametry, které nelze měnit se budou zobrazovat v menu pod čarou.

Textová řádka - řádka bez interpunkční značky, zobrazí se pouze informace softwaru.

38 Obr. č. 13. Hlavní menu analyzátorů z vycházejicí z něho submenu.

2.7.1.

Jakmile přístroje byly správně vyrobene a namontováne v souladu s obecnými pokyny uvedenými v sekcí 2.4. – 2.6. je zařízení připraveno k provozu.

Zařízení se zapíná stanovením požadovaného napětí.

39 Všechny analyzátory budou zapnutý přepinačém, který je umístěný na předním panelu pojistné skřině.

Analyzátory potřebují od 15 do 50 minut na zahřátí po zapnutí, v závislosti na stanovené teplotě.

Z lahvi podvedeme k příslušným vstupů jednotlivé kalibrační a nulovací plyny.

Taky podvedeme technický vzduch, nutný pro vyrabění ozonu ve WCLD modulu.

Inicializační postup, další nastavení a měření je skoro stejně u všech analyzátorů. Rozebereme na přikladě analyzátoru dusíku celý proces měření spalin od zapnutí analyzátoru až do jeho vypnutí.

Po zapnutí modulů analyzátorů, provádí inicializační postup. Vlastní představení sekvence několika obrazovek s informacemi o inicializace stavu, konstatuje, kontrolu softwaru.

Obr. č. 14. Zobrazení měřicího režimu.

Po inicializace a objevení obrazovky uvedené na obr. č. 14 začneme základní kontrolu parametrů analyzátorů. Tato kontrola se provadí pomoci hlavního menu a vycházejicí z něho submenu které jsou uvedené na obr. č. 13.

Stisknutim klavesy F3 přepneme do hlavního menu kde zvolíme první řádku.

Tímto dostaneme do submenu „„Základní kontrola„„ (“Basic Controls”). Toto submenu popisuje nejdůležitější měření, nastavení a kalibrace analyzátorů. Nastavíme tady horní hodnotu rozsahu, koncentrace kalibrační plynů a zapojíme ozonátor.

Pak vrátíme do hlavního menu a zapneme druhou řádku. Tímto se dostaneme do submenu „„Kontrola vstupu/vystupu analyzátorů a menu nastavení” (“Analyzer and I/O expert controls and Setup Menu”). Toto submenu poskytuje nastavení parametrů pro měření a kalibrace analyzátorů, jako je nastavení síti, průtoků veškeré plynů a bypassu, tlaku vzorků, teploty ozónu a konvertoru. Taky se dá nastavit jednotky měření plynů,

40 tlaku, a teploty.

Nastavit parametry displeje (jasnost a kontrast) je možné při pomoci submenu

“Kontrola obrazovky” (”Display control”).

2.7.2.

Po kontrole a nastavení parametrů sleduje kalibrace analyzátorů. Kalibrace spouští v submenu “Základní kontrola” hlavního menu. Na začátku bude provedena kalibrace nuly stisknutim klavesy F3, po nastavení nuly provedeme kalibrace stisknutim klavesy F4.

Tato procedura podrobně popsána v experimentální částí bakalářské práce.

Pro postup kalibrace požadované zkušební plyny, které vstupují do analyzátorů prostřednictvím příslušných plynových přivodů s rychlostí průtoku plynu o 1 l/min (stejná jako u vzorku).

Zkušební plyny

a) Nulový plyn

Pro nulování analyzátorů je potřeba propláchnout dusíkem (N2).

b) Kalibrační plyny

Kalibrace všech analyzátorů bude provedena s čistýma kalibračními plyny, aby se zabránilo interference mezi plyny (např. CO2 a CO) měřené v analyzátoru, pomocí zkušebné směsi plynů.

Kalibrace pro měření kyslíku bude provedena při pomocí čistého kyslíku jako kalibračního plynu, ačkoliv koncentrace kyslíku je známá a konstantní.

2.7.3.

Po provedení kalibrace už mužeme začit měření. Základní krok při měření koncentrace plynu je přijetí vzorku plynu do analyzátorů.

- Nastavime ventily na FCM v polohu “Vzorek” (“Sample”).

- Vpustíme vzorek plynu k příslušnému vstupu přívodu plynu na zadním panelu sestavy.

- Nastavíme průtok plynu na přípustnou míru a už mužeme provádět měření.

Měření se provede tak že vzorek plynu vpustí na příslušný vstup který umístěný

41 na zadním panelu sestavy. Vzorek plynu projde sestavou podle odstavce 2.4.

Naměřená v analyzátorů veškerá data, bude uvedena na monitoru počítače.

Po měření je potřeba opět provest kalibrace analyzátorů.

2.7.4.

Před vypnutí analyzátorů, doporučuje se první propláchnutí všech plynových potrubí technickým vzduchém (úsporně) po dobu asi 5 minut. Celý postup pro vypnutí je následující:

- pustit technický vzduch na příslušný vstup nulovacího plynu na zadním panelu sestavy.

- nastavit tok plynu do přípustné míry.

Po 5 minutách uplynutí:

- Vypnout přepinačem analyzátory na předním panelu pojistné skřině.

- Vypnout počítač.

- Vypnout dodávek plynu.

- Odpojit plynovody.

- Odpojit od síte pojistnou skřin.

3. Experimentální část

V experimentální části měl jsem provest základní kalibraci celého zařízení a vytvořit kalibrační protokoly.

Kalibrace, což je částí ověření linearity analyzátorů byla provedena při pomoci externího přistroje – děličky Horiba GD-03 v laboratoři KVM.

Ověření linearity každého analyzátorů byla provedena zvlašt. Postup ověření linearity je stejný, liši se jenom nastavením provozních rozsahu pro jednotlivé kalibračni plyny.

Pro NOx rozsah je 4060 ppm, pro CO2 = 14%, pro CO = 89.2 ppm, pro O2 = 9.02 %.

42

3.1. Obecné požadavky

Přepinačem umistěným na pojistní skřině budou zapnuté všechny analyzatory.

Během 40 minut musí analyzatory ohřát. Ventily jednotlivých průtokoměrů se nachazi v poloze Kalibrační plyn (Span).

3.2. Postup kalibrace

Dělič plynu se připoji k lahvi dusiku (N2) a k lahvi kalibračního plynu. Na jinou stranu se připoji k jednotlivým vstupum pro dusík (N2) a příslušní kalibrační plyn které umistěné na zadní panelu sestavy. Na lahvích je nastavený tlak 90 kPa. Při kalibraci analyzátoru NOx pro vyrabění ozonu k sestavě přes vstup na zadním panelu podvedený z lahvi technický kyslík (O2 tech). Na platformě nastavíme ozonator při pomoci funkčních, kurzorových klaves a Enteru.

Na děličce, displeji analyzátoru a monitoru počitače podle lahvi je nastavena koncentrace příslušného kalibračního plynu.

Zkoušení analyzátorů začne kalibraci nuly (nulovaním). Pustime do děličky dusík z lahvi. Z děličky dusík zavede do sestavy. Nastavime na děličce nulu a čekame až spadne hodnota rozsahu na displeji analyzátoru na nulu. Trva to kolem 30 sekund.

Spustime na analyzátoru povel kalibrace nuly. Tymto zavedeme nulový signal do analyzátoru a přistroj se vynuluje. Mame prvni linearizační bod.

Dame na děličku kalibrační plyn z přislušným rozsahém. Spustime na displeji analyzátoru povel kalibrace (span). Po chvili nastavi nam přislušný rozsah na displeji analyzátoru. Tymto zavedeme do analyzátoru kalibrační signal a přistroj se nakalibruje.

Mame koncový linearizační bod.

Pak opakuje se postup nulování.

3.3. Postup ověření linearity

Po kalibraci v nasledujicím postupu bude provedena linearizace, která slouží k sestavení kalibrační křivky daného analyzátoru. Na základě měření budou vytvořené linearizační protokoly, které jsou uvedene v přiloze.

1) Děličkou bude v rovnoměrných odstupech rozloženo jmenovitou koncentraci

43 kalibračního plynu na jedenact bodu včetně nuly a koncoveho bodu.

Koncentrace plynu je 80% rozsahu stupnice přístroje v daném měřícím rozsahu.

Jednotlivé body jsou uvedené v prvním sloupci tabulky linearizačních protokolu.

2) Pro jednotlivé polohy přepínače děliče se odečte jmenovitá hodnota koncentrace pro každý kalibrační bod ( sl. 2 ).

3) Zaznamenává se přímo naměřěná hodnota pro každý kalibrační bod ( sl. 3).

4) Hodnota naměřených bodů se přepočte podle staré kalibrační křivky (sl. 4).

5) Vypočte se odchylka hodnot vypočtěných podle staré kalibrační křivky od vztažných hodnot a zaznamená se do sloupců odchylka v ppm a v % ( sl. 3 – sl.2

= sl. 5; sl.5 : sl. 2 x 100% = sl. 6 ).

6) V některých bodéch uprostřed rozsahu odchylka je větší než 2%, je potřeba vypočítat metodou nejmenších čtvrců novou křivku. Postupujeme se od polynomu nejnižšího řádu k polynomům vyšších řádů tak dlouho, až se dosáhne odchylky od jmenovité hodnoty kalibračních bodů méně než ±2 %. V případě analyzátoru kyslíku odchylka od jmenovité hodnoty kalibračních bodů méně než

±2 % byla dosahnuta při polynomu druhého řádu, v připadě analyzátoru CO/CO2 tato odhylka byla dosahnuta při polynomu prvního řádu.V připadě analyzátoru dusíku odchylka od jmenovité hodnoty v prvním kalibrační bodě stanoví nepřípustných 62% při polynomu prvního řádu. Tady by musili spočítat křivku podle polynomu druhého řádu ale z ohledem na to že analyzátor NOx je lineární to křivka vyššího řádu signalizuje chybu. Chyba mohla být způsobena nepřesností při měření nebo poruchou analyzátoru. Doporučuji provést ještě jednou kalibrace analyzátoru dusíku, když odchylka zůstane je nutné poslat analyzátor dusíku na opravu.

7) kalibračních bodů méně než ±2 % byla dosahnuta při polynomu prvního řádu 8) Body nové křivky se uvedou do protokolu ( sloupek nová křivka – sl. 7 ).

9) Vypočita se odchylka bodů nové křivky dle bodu 5 v ppm a % ( sl. 8 a 9).

10) Při všech měřěních se musí dodržet stejné tlaky přiváděných plynů ( 90 kPa ).

44

4. Závěr

Během vypracování bakalářské práce bylo navrhuto a sestaveno mobilní měřicí stanoviště s automatizovaným sběrem dat. Tato sestava analyzátorů Emerson pro plynné emise výfukových plynů bude použíta při zkoumaní provozních vlastností spalovacích motorů v laboratoři KVM.

Vytvořilo se to tak že do samotné skřině bylo dodano jednotlivé analyzátory, a veškeré nezbytné komponenty které pohaní testovácí plyn, ochladi ho, očistí, proměří průtok, naměří tlak testovacího plynů a barometrický tlak okolí.

Bylo navrhnuto schémy zapojení testovacích a kalibračních plynů a elektrického zapojení sestavy analyzátorů, podle těchto schém provedeno zapojení testovacích a kalibračních plynů a elektrické zapojení analyzátorů s příslušné komponenty sestavy.

Pro estetický výhled sestavy bylo navrhnuto lišty které umístěné na předním panelu sestavy a zakryvají prostor kolem analyzátorů a počitače. Podle mého navrhu v externím podniku vyrobili lišty. Výkresy lišt jsou umístěné na CD disku který je vložený na desce bakalařské práci.

Byla prostudována literatura věnovaná měření emisí spalovacích motorů, bylo seznameno s předpisy EHK které legislativně omezují obsah škodlivin kvuli ochraně životního prostředí.

Po komplektním sestavení měřicí stanoviště bylo vyzkoušené v laboratoři KVM.

Byla provedena kalibrace celého zařízení a vytvořeno linearizační protokoly na základě kterých je možně udělat závěr o tom že smontovaná sestava analyzátoru Emerson za výjimkou analyzátoru dusíku je plně funkční a muže byt použíta pro měření emise CO2, CO, O2, a NOx.

Analyzátor dusíku přes velkou odchylku od jmenovité hodnoty v prvním kalibračním bodě musí být kalibrovaný ještě jednou, když odchylka zustane po opakované kalibrace analyzátor dusíku musí být poslaný na opravu.

Značné odchylky původní kalibrační křivky od vztažné hodnoty ostatních analyzátorů v linearizačních bodéch uprostřed rozsahu jsou zdůvodněné nepřestností práce děliče plynů. Jednak odchylka nové navřené kalibrační křivky je v mezích normy a stanoví méně dvou procentů. Kalibrační křivka byla spočitana metodou nejmenších čtvrců, a požadovana odchylka od jmenovité hodnoty každého kalibračního bodu o

45 méně než ±2% byla dosažena u analyzátoru CO/CO2 při vypočtu polynomu prvního řadu, v případě analyzátoru kyslíku při vypočtu polynomu druhého řadu což znamená že analyzatory jsou v pořadku a hotově k provozu.

46

Seznam literatury

[1] TAKATS , M.: Měřění emisí spalovacích motorů. vyd. Praha, ČVUT 1994.

[2] BEROUN, S.: Spalovací proces ve válci pístového spalovacího motoru.

Výfukové emise. vyd. Liberec. TUL 2007.

[3] Princip konstrukce paramagnetické analizáční bunky.

http://www2.emersonprocess.com [4] Emisní předpisy EURO.

http://radovancech.sweb.cz/emise3.htm [5] Předpisy EHK 49.

http://www.ksd.tul.cz/studenti/texty/ZVM/ZVM-7pr.pdf

[6] Kategorie vozidel a tabulka mezních hodnot výfukoých plynů podle EHK 83.

http://eurlex.europa.eu

[7] HOLEŠOVSKÝ, F., DUŠÁK, K., JERSÁK, J., aj. Terminologie obrábění a montáže. 1. vyd. Ústí nad Labem: Universita J. E. Purkynì, ÚTØV, 2005.

[8] DUŠÁK, K. Technologie montáže - terminologie. 1. vyd. Liberec: TUL, 2003.

47

Seznam příloh

Příloha č. 1... tab. složení výfukových plynů.

Příloha č. 2…………. linearizační protokoly jednotlivých analyzátorů.

Příloha č. 3………… výkres sestavy analyzátorů.

48 Příloha č. 1

Tabulka složení výfukových plynů.

Komponenty výfukových

plynů

Obsah, % Popis

Motor

Zažehový Vznětový

Dusík 74,0 -

77,0

76,0 - 78,0

nejedovatý

Kyslík 0,3 - 8,0 2,0 - 18,0 nejedovatý

Voda 3,0 - 5,5 0,5 - 4,0 nejedovatá

Oxid uhličitý 5,0 - 12,0 1,0 - 10,0 nejedovatý

Oxid uhelnatý 0,1 - 10,0 0,01 - 5,0 jedovatý

Nespálené uhlovodíky

0,2 - 3,0 0,009 - 0,5

jedovaté

Aldehydy 0 - 0,2 0,001 -

0,009

jedovaté

Oxid síry 0 - 0,002 0 - 0,03 jedovatý

Saze, g/m³ 0 - 0,04 0,01 - 1,1 jedovatá

Benzopyren, mg/m³

0,01 - 0,02

až 0,01 kancerogen

Měření: CO MLT 1T IR IR

Datum: 20.05.2011 2

89.2 ppm 100 ppm

MB F/S:

KALIBRACE

Složení (ppm)

Hodnota (ppm)

Odchylka (%)

0 0 0

89.2 88.72 -0.54

Staré koeficienty křivky

a0 a1 a2 a3

0.0 1.0 0.0 0.0

Linearizace

Vztažná Odečtená Původní

hodnota hodnota křivka ppm % ppm %

0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.22 0.22 0.00

1 8.92 8.80 8.80 -0.12 -1.35 9.06 0.14 1.59

2 17.84 17.60 17.60 -0.24 -1.35 17.90 0.06 0.35

3 26.76 26.06 26.06 -0.70 -2.62 26.40 -0.36 -1.34

4 35.68 35.11 35.11 -0.57 -1.60 35.49 -0.19 -0.52

5 44.60 44.21 44.21 -0.39 -0.87 44.63 0.03 0.08

6 53.52 52.95 52.95 -0.57 -1.07 53.41 -0.11 -0.20

7 62.44 61.91 61.91 -0.53 -0.85 62.42 -0.02 -0.04

8 71.36 70.76 70.76 -0.60 -0.84 71.31 -0.05 -0.07

9 80.28 79.81 79.81 -0.47 -0.59 80.40 0.12 0.15

10 89.20 88.72 88.72 -0.48 -0.54 89.35 0.15 0.17

Nové koeficienty křivky

a0 a1 a2 a3

0.2213 1.0046 0 0

Y[ppm] = a0 + a1 x + a2 xx + a3 xxx Údaje o plynu

Plyn

Číslo

vedení Číslo láhve Datum

platnosti Umístění Obsah (l) Číslo certifikace

CO 144 407 12.05.2006 Lab. KVM 10

N2 Lab. KVM

Údaje o přístrojích

Umístění Ev. č. poznámka Lab. KVM

Lab. KVM Katedra vozidel a motorů

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Příloha č.2

Kalibrační plyn:

30079902422877 Nulový plyn:

Konečná hodnota:Měřící přístroj:Měřící rozsah:

Linearizační protokol

Bod Odchylka Odchylka

Kalibrační plyn:

Nová křivka Y[ppm]

56547801 Dělička Horiba GD-03

V.č.

Název MLT 1T IR IR

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 2 4 6 8 10

Odečtená hodnota [ppm]

Vztažná hodnota [ppm]